英特尔® FPGA 助力工业自动化实现从边缘到云的创新
英特尔® FPGA 能够帮助各行各业开发安全、可靠和优化的设计。
英特尔® FPGA 帮助解决行业挑战
英特尔提供的解决方案可助力工业自动化实现边缘到云的创新。英特尔® FPGA 能够帮助各行各业开发安全、可靠和优化的设计。英特尔提供广泛的 FPGA 和 ARM 内核集成 SoC 设备、工具、IP、参考解决方案等，以满足人工智能、边缘计算和机器人等各种应用用例的需求。
智能电力
在智能能源应用中使用 FPGA 可带来更高的性能、灵活性、实时处理、能效、集成能力、可扩展性和更强的安全性等优势。这些优势有助于开发高效、可靠和智能的能源系统，以支持可持续和优化的能源生产、分配和消费。
随着运输车辆电气化，关注的对象从燃油消耗转向电能消耗以及电源转换器的效率和成本。直流快速充电 (DCFC) 技术用于 3 级电动汽车充电站。充电完全在充电站内进行，使用直流电，用户可以在 30 分钟内为电动汽车充满电。
FPGA 的独特之处在于能以极高的频率实现定制化数字控制。其有利于减小被动元件的大小和成本，并最大限度地减少交流和直流电转换过程中的电能损耗。
FPGA 还支持电池管理。与交流电充电不同，直流快速充电存在电动汽车电池超载的风险，随着时间的推移，这可能会导致电池衰减或失去续航能力。FPGA 支持电池和 BMS，可提供必要的计算能力，以在电池组之间均匀分配负载、消除衰减威胁并延长电池寿命。
生产可靠、效率更高、成本更低的太阳能或光伏 (PV) 系统对于提高太阳能的竞争力极为重要。这给设计符合以下要求的逆变器架构带来了挑战：
- 性能可靠、使用寿命长，可使用集中发电为不断增长的电力需求提供分布式可再生能源。
- 使用高级控制算法和能源拓扑结构，例如三电平绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 和宽带隙 SiC-FET，可以提高效率并降低单位成本。
- 符合当地电网规范，包括能源质量监测和控制。
过去，传统的光伏逆变器架构包括 DSP（用于最大功率点跟踪 (MPPT) 和 DC-DC 控制）、FPGA（用于 DC-AC 控制），可能还包括独立的 MCU（用于处理系统通信）。通过在一个设备上集成 DSP 控制回路、DC-DC 和 DC-AC 转换以及通信，这三个独立的系统组件可聚合到英特尔® FPGA。
电力分配和电网管理正在经历变革，并已成为新技术方法的焦点，原因如下：
设备老化。
分布式能源 (DER) 可导致电网不稳定，例如越来越多的太阳能电池板向电网回馈电力并在车库中为电动汽车充电。
符合当地电网规范，包括能源质量监测和控制。
公用事业公司追求可靠性、降低资本/运营支出和节省不动产成本。
公用事业公司需要实现设备的标准化，以避免被供应商锁定。
英特尔 FPGA 是新转型电网的理想选择。它们能满足冗余网络中的实际交换要求。我们的英特尔 FPGA 通过 HSR/PRP 冗余和符合不断发展的 HSR/PRP 标准来满足 Gbps 以太网流量性能要求。
入门
三相加速双向 AC/DC 转换器
此设计示例演示了用于电动汽车充电的三相升压双向 AC/DC 转换器的实现。MAX® 10 和 Cyclone® V SoC FPGA 开发套件是此参考设计的目标设备。
MAX® 10 DC-DC 转换器
设计示例演示了可通过可变电压控制 (VVC) 技术来控制混合 DC-DC 转换器的数字控制器。该设计使用 DSP Builder for Intel FPGAs（高级模块集）来模拟和合成 VHDL 控制。该设计面向英特尔 MAX 10 FPGA 开发板。
FRS（Flexibilis 冗余交换机）
FRS 是提供 HSR /PRP 功能的 IP 内核，支持 3–8 端口的三速第 2 层交交换机 (1Mbps/10Mbps/1Gbps)。您可以查看 TTTech 的评估套件、用户手册和参考设计。
机器人
FPGA 为机器人应用带来了低延迟、功能安全、确定性计算、连接性等优势。其支持 AMR、AGV 和六轴机器臂等静态和移动机器人。我们提供多种机器人解决方案。
机器人在工业工作场所中日益普及。超高速工业机器人可处理装配、焊接和取放等困难且危险的任务。协作机器人在与人类并肩合作时需要一个功能安全的环境。自主移动机器人 (AMR) 许多都是视觉引导式的，可单独地在云控制集群中运行。
英特尔 FPGA 通过以下方式满足工业机器人的各种需求：
- 确定性计算：为机器人技术带来精度和多轴电机控制优势，显著降低材料成本，减少延迟以提高精度。
- 连接性：时效性网络 (TSN) 可协调单个机器人与多个机器人之间的多个轴。
- 功能安全：英特尔功能安全数据包 (FSDP) 和德国莱茵 TÜV 认证的 CAT3 PLD 安全概念提供了FuSa 功能，并通过压缩客户的认证周期加快产品上市时间。
与英特尔® FPGA 视频和视觉处理 IP 套件、OpenVino™ 工具套件和 英特尔® FPGA AI 套件配合使用，您可以部署颜色和形状检测以外的视觉功能，例如安全隐患检测和物体识别/分类。
Veo Robotics：FreeMove 3D 保护系统
Veo Robotics 使用英特尔® FPGA，使其 Veo FreeMove* 3D 保护系统实现灵活的人机协作。
入门
Agilex® 7 FPGA 片上驱动设计示例
英特尔片上驱动电机控制参考设计是 Agilex® 7 设备上的集成驱动系统。该设计演示了多达两台三相永磁同步电机 (PMSM) 或无刷直流电机 (BLDC) 的同步控制。该设计可适用于其他电机类型。
Cyclone® V 和 MAX® 10 FPGA 片上驱动设计示例
英特尔片上驱动电机控制参考设计是单个 Cyclone V SoC 或英特尔 MAX 10 上的一款集成驱动系统。该设计实现了单轴和多轴矢量控制 (FOC)，支持同时控制最多四台永磁同步电机。
机器视觉和人工智能
FPGA 可实现数据的直接采集、流水线式图像处理以及确定性和低延迟的人工智能部署。
机器视觉技术正在快速发展，以实现更高的图像分辨率、更高的帧速率、新接口和人工智能的采用。
用于机器视觉的摄像机和其他设备执行一系列任务，如图像信号处理 (ISP)、视频传输、格式转换和分析。由于摄像头传感器技术不断改进、人工学习和基于深度学习的视频分析技术的进步，英特尔® FPGA 在下一代机器视觉摄像头、图像采集器和视觉控制器中发挥着关键作用：
- 具有与多种类型的图像传感器和 MV 系统设备连接的灵活性。
- 快速处理，以集成包含缺陷像素校正、伽玛校正、动态范围校正和降噪等技术的全图像传感器管道 (ISP)。
- 支持 AI 深度学习框架、模型和拓扑结构，以实施基于 FPGA 的卷积神经网络 (CNN) 推理加速器。
滨松集团：高性能工业摄像头
Hamamatsu 选择 Arria® 10 和 Cyclone® 10 FPGA 用于高性能 ORCA-Quest* 科学摄像头和新型 X 射线食品检测系统，是因为它们具有实时图像处理能力和高带宽接口。
Critical Link LLC: MityCAM
Critical Link LLC 将英特尔® FPGA AI 套件集成到其 MityCAM 摄像头评估套件中，用于带 USB3 Vision 接口的佳能 500 万像素图像传感器。它还使用 Arria® SoC FPGA 在一个芯片中执行物体检测、图像处理工作负载以及传感器/显示器接口。
开始使用图像信号处理 (ISP) 设计示例
运用一系列英特尔® FPGA IP 核，创造增强的摄像头产品。定制的实时、低延迟图像和视频处理，简单易用的丰富编程接口 (API) 与标准接口，这些 IP 核能够实现即插即用流程，缩短您的 ISP 产品上市时间。
智能制造
FPGA 能够无缝集成传感器、执行器和机器学习算法等各种组件和系统，从而促进智能制造环境中的智能决策、预测性维护和自适应控制。
电机和驱动器为无数的工业流程提供动力，包括生产、装配、包装、机器人、计算机数控 (CNC)、机器工具、泵和工业风机。这些电机驱动的系统占据工业能耗的 2/3 以上，因此节能运行对于工厂利润至关重要。
使用英特尔® FPGA 和 SoC FPGA 设计电机控制和运动控制系统，可通过以下优势显著降低总体拥有成本：
- 系统集成：在单台设备上集成工业网络、功能安全、编码器、功率级接口和数字信号处理 (DSP) 控制算法，减少了物料清单 (BOM) 成本、能耗和可靠性方面的挑战。
- 可扩展性能：在整个产品线上使用单个可扩展平台。借助更快速、更高级的确定性控制回路提升性能。
- 功能安全：使用符合机械指令 IEC61508 安全标准的设备和工具，减少达到合规所需的时间和精力。
可编程逻辑控制器 (PLC) 是一种用于控制工业流程自动化的工业计算机。PLC 是一种基于计算机的固态设备，其设计能够承受恶劣的工厂条件，并对不同的工业流程进行实时监控。
PLC 几乎广泛应用于所有工业流程，但目前的系统作为封闭系统，通常针对特定领域进行优化。随着工业 4.0 进一步推动网络多领域自动化，PLC 作为一种软件功能被集成到更大的计算平台（如边缘计算机）中，以实现工作负载整合。
FPGA 通常用于 I/O 扩展、工业以太网和现场总线通信设备，以实现 PLC 的确定性、低延迟并行计算。此外，由于某些 PLC 用于安全关键型应用，FPGA 还可用于确保功能安全。英特尔及其合作伙伴提供各种 IP 内核以及安全认证的 SKU 和功能安全数据包。
英特尔和 TTTech 的 TSN 解决方案
IEEE 802.1 TSN 可混合和匹配来自不同供应商的工业硬件和软件解决方案，来提供实时确定性连接。
英特尔和 TTTech Industrial Automation AG 提供开箱即用的解决方案，无需预付许可费，无需报告每台设备的版权费，也无需漫长的谈判。
英特尔® FPGA 支持的 TTTech TSN IP 解决方案：
3/5 端口 10/100/1000 Mbit/s 交换端点
IEEE 802.1 AS、IEEE 802.1 CB、Qbv、Qbu、Qcc
Linux* 内核 4.14 LTS
- 直通、存储和转发
英特尔和 Softing 的工业以太网解决方案
基于英特尔® FPGA 的工业以太网为传统工业以太网的无缝集成提供了连接功能。
为了帮您更轻松地在设计中添加工业以太网，英特尔和 Softing Industrial Automation GmbH 提供了一款无前期许可费用、无单位版税报告要求，并且无漫长谈判过程的即购即用解决方案。
此解决方案包含 Profibus、Profinet、EtherCAT、EtherNet/IP 和 Modbus 协议。使用外部安全 CPLD 解锁在启动时加载至 FPGA 的协议 IP，跟踪许可过程。
Exor 嵌入式 SoM（模块系统）
Exor 为 TSN 和棕地协议提供基于英特尔® FPGA 的生产型可部署 SoM 和 RRK，它们已在制造用例中得到验证，具有质量可靠、生命周期长的特点。
ISO 13849-1 Cat.3 PLd
我们的“技术安全概念”说明了如何根据 ISO 13849-1 和 IEC 61508 SIL 2 标准实现 Cat. 3 PL d 等效风险降低，并通过了 TÜV Rheinland 的审核和批准。它以 Cyclone® V SoC FPGA 和用于工业过程自动化和机械安全应用的外部安全逻辑 (ESL) 设备为例，演示了基于英特尔® SoC FPGA 的系统的可能实施。
功能安全数据包 (FSDP)
利用工具和设备认证以及我们经认证的安全完整性 3 级 (SIL3) 功能安全数据包中的指引，开发人员可以缩短 IEC 61508 开发时间，并降低许多安全关键型工业应用中的认证风险。
此外，安全隔离设计流程保留了 FPGA 快速升级/漏洞修复的优势，同时减少了整个设计重新认证的必要。
NewTec 的 SafeFlex 安全参考主板
英特尔和 NewTec 合作开发了 SafeFlex 功能安全参考主板，旨在帮助客户减少为了进行符合 SIL3 定级 IEC 61508 标准和 IEC 13849 PLe Cat 4 标准的安全设计所做出的投入，
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